bbk 000000

UDC 628.1.036:543.3

Serikov L. V., Shiyan L. N., Tropina E. A., Khryapov P. A.

Peculiarities of Measuring of Chromaticity of the West Siberian Region’s Ground Water

Summary

Results of the experimental study aimed at determining the chromaticity of the West Siberian Region’s ground water sampled from a depth of 80–200 m with the use of the chromaticity measuring methods recommended by GOST R 52769-2007 are presented. Difficulties of the determination of chromaticity are associated with the features of the chemical composition of ground water and are due to the generation of stable colloidal particles consisting of Fe(OH)₃ and dissolved organic substances of humus origin. It is established that the chromaticity of ground water generally depends on the presence of colloidal compounds of iron and is characterized as seeming chromaticity of water.

Key words:

potable water , ground water , chromaticity , water treatment , odor , taste , colloidal particles , humus

Download PDF

Органолептические показатели воды – цветность, запах и вкус – являются определяющими при оценке ее качества. Цветность служит индикатором пригодности воды для использования в питьевых целях, относится к физико-химическим показателям свойств природной и питьевой воды и характеризует количество содержащихся в ней окрашенных растворенных веществ. Измерение цветности природных вод необходимо для правильного выбора технологии водоподготовки. Согласно данным [1; 2], цветность природной воды обусловлена присутствием главным образом гуминовых и фульвокислот, связанных с гумусом почвы. В работах [3; 4] отмечается, что на цветность воды влияет присутствие соединений железа и других металлов в виде естественных примесей.

В международном стандарте ИСО для описания окраски воды используется термин «цвет». Получаемый в присутствии нерастворенного взвешенного вещества, он характеризуется как «кажущийся». Для аналитических целей представляет интерес «истинный цвет пробы». Он характеризуется как цвет, обусловленный растворенными веществами [5].

В России, в соответствии с ГОСТ Р 52769-2007, этот органолептический показатель характеризуется термином «цветность воды» и определяется двумя методами: визуально – для ориентировочной оценки цветности и фотометрически – для количественной оценки, с использованием хромокобальтовой или платинокобальтовой шкалы в качестве калибровки. Визуальный и фотометрический методы можно применять отдельно или в сочетании. Однако даже сочетание этих методов не исключает неточности в определении цветности воды, если цвет пробы будет отличаться от эталонов сравнения. Особую трудность представляют подземные воды. В методиках определения цветности в соответствии с ГОСТ Р 52769-2007 не учитываются особенности подземных вод, что может приводить к ошибкам и получению недостоверных результатов. На примере подземных источников Западно-Сибирского региона рассмотрим некоторые проблемы, возникающие при определении цветности.

Несмотря на обилие в Западной Сибири рек, озер и водохранилищ, для питьевого водоснабжения часто используют подземные воды [6; 7]. Содержание примесей в них разнообразно как по качественному составу, так и по количественному соотношению. Основной примесью, влияющей на качество подземных вод указанного региона, являются соединения железа. Обогащение подземных вод этими соединениями происходит вследствие выщелачивания и растворения железистых минералов и пород, запасы которых обнаружены на территории Западной Сибири [8].

Наличие болот и мелких рек, обогащенных гуминовыми веществами, предполагает присутствие в подземных водах органических веществ, что подтверждается аналитически. Так, значение перманганатной окисляемости подземных вод Западной Сибири составляет от 3 до 14 мг/л. В некоторых подземных водах, которые содержат железо в виде двухвалентного иона, при окислении в процессе водоподготовки образуются устойчивые коллоидные частицы [9; 10]. Их наличие обусловлено содержанием железа в виде Fe(OH)₃, связанного с растворенными органическими веществами гумусового происхождения. Присутствие устойчивых коллоидных соединений железа является основной особенностью подземных вод Западно-Сибирского региона, которую необходимо учитывать при определении цветности с использованием методик, рекомендованных ГОСТ Р 52769-2007.

Для исследований были выбраны подземные воды Западно-Сибирского региона, отобранные с глубины 80–200 м. Эксперименты проводили как на месте отбора воды, так и в лабораторных условиях. Температура подземных вод на месте отбора составляла 279–284 К. Катионный и анионный состав этих вод определяли в соответствии с ГОСТ Р 51232-98, концентрации Fe (II) и Fe (III) – колориметрическим методом с о-фенантролином и сульфосалициловой кислотой соответственно. Полный анализ катионного состава примесей был получен с использованием плазменного оптического эмиссионного спектрометра ICP-OES фирмы «Varian» в Центре коллективного пользования Томского политехнического университета.

Органические вещества в воде определяли по значению перманганатной окисляемости, содержанию общего органического углерода и растворенного органического углерода на хроматографе ТОС-V фирмы «Shimadzu».

Распределение частиц по размерам было получено на анализаторе Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments). Размер частиц определялся по динамическому рассеянию света (угол рассеяния 173).

Регистрацию спектров оптического поглощения в диапазоне 200–500 нм проводили на спектрометре SPECORD M-40 фирмы «Carl Zeiss Jena». Значения рН и Eh определяли с помощью портативного анализатора воды Water Test фирмы «HANNA» (HI 98204).

Для фильтрации исследуемых вод использовали бумажные фильтры («синяя лента») с размером пор 3000–5000 нм и мембраны фирмы «Millipore» с размерами пор 200, 400, 450 и 1200 нм.

Цветность воды определяли на фотоколориметре КФК 2. При этом использовали синий светофильтр ( = 400 ± 5  нм с шириной полосы пропускания 45 ± 10 нм) и кюветы с размерами поглощающего слоя 5–10 см. Стандартные растворы готовили смешиванием известных количеств окрашенных солей двухромовокислого калия (К₂Сг₂О₇) и сернокислого кобальта (CoSO₄·7H₂O).

Железосодержащие подземные воды по способности к образованию фильтруемых осадков при аэрации можно разделить на два типа [11; 12]. Первый тип – воды гидрокарбонатного состава, в которых железо находится в виде гидрокарбоната железа. Второй тип – воды, содержащие соединения железа, связанные с растворенными органическими веществами. В табл. 1 приведен химический состав подземных вод Западно-Сибирского региона первого ивторого типа.

Наиболее характерными показателями воды первого типа являются соотношение концентраций ионов Са²⁺ и Mg²⁺ (примерно 4:1) и содержание гидрокарбонатов (280–800 мг/л). Количество органических веществ, определенных по значению перманганатной окисляемости, составляет 0,9–3 мг/л. После аэрации, отстаивания и фильтрования вода такого состава становится бесцветной, прозрачной и по качеству соответствует нормативным требованиям для питьевой воды.

Вода второго типа по сравнению с водой первого типа имеет более низкое значение рН, пониженное содержание солей жесткости и отличается большим значением перманганатной окисляемости, что указывает на присутствие в ней органических примесей. После аэрации, отстаивания и фильтрования вода такого состава остается желтоватого цвета, устойчивого во времени. Цвет воды обусловлен наличием коллоидных частиц, состоящих из Fe(OH)₃, связанных с органическими веществами природного происхождения, обладающими защитными свойствами [13] и препятствующими коагуляции Fe(OH)₃.

При использовании методики определения цветности подземных вод в соответствии с ГОСТ Р 52769-2007 возникают определенные трудности. Так, отбор проб рекомендуется производить в количестве 200 мл без консервации. Выполнять анализ следует как можно быстрее после отбора. Подземные воды как первого, так и второго типов имеют температуру 275–284 К, содержат железо только в виде Fe (II) и по визуальной оценке бесцветны лишь в первый момент после отбора пробы. При контакте с кислородом воздуха Fe  (II) окисляется, образуя Fe(OH)₃.

На рис. 1 представлены кинетические зависимости изменения концентрации Fe (III), образующегося в процессе аэрации подземных вод.

В водах первого типа после окисления Fe (II) цветность воды, обусловленная присутствием взвешенных частиц Fe(OH)₃, в соответствии с РД 52.24.497-2005, характеризуется термином «кажущаяся» цветность. Как видно из рис. 1, концентрация Fe (III), а следовательно, и «кажущаяся» цветность воды возрастают со временем, достигая стационарного значения, которое характеризует полное окисление Fe (II). Последующее фильтрование воды на фильтре с размером пор 0,45 мкм, рекомендуемом ГОСТом, приводит к полному удалению Fe(OH)₃.

В этом случае вода имеет «истинную» цветность, которая обусловлена только растворенными органическими веществами. Следует отметить, что окисление Fe (II) происходит и в процессе фильтрования исходной пробы. Ионы Fe (II) фильтром не задерживаются, и процесс окисления, продолжающийся после фильтрования, обусловливает ошибку при измерении «истинной» цветности. Определенная после полного окисления Fe (II) и последующего фильтрования «истинная» цветность подземных вод первого типа, как правило, соответствует нормативным значениям. Результаты, полученные на воде первого типа, приведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что исходная вода прозрачна. В процессе окисления Fe (II) происходит увеличение концентрации Fe (III), которая характеризует «кажущуюся» цветность воды. Определение «истинной» цветности воды первого типа следует проводить после полного окисления Fe (II) с последующим фильтрованием. В этом случае такие показатели, как температура и время проведения анализа после отбора пробы не влияют на точность получаемых результатов.

В воде второго типа аналогичный процесс [полное окисление Fe (II) и последующее фильтрование через мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мкм] не приводит к полному удалению Fe(OH)₃. В растворе остается гидроксид железа (III), связанный с органическими веществами в виде коллоидных частиц, придающих воде желтоватую окраску. На рис. 2 показана взаимосвязь «кажущейся» цветности воды второго типа с концентрацией Fe (III), оставшегося в фильтрате после использования фильтра с размером пор 0,45 мкм.

Для определения размера коллоидных частиц использовали воду второго типа с концентрацией Fe (III) 6,26 мг/л.

Для удаления частиц, способных образовывать осадок, исследуемую воду предварительно фильтровали через мембранный фильтр с размером пор 1200 нм. Распределение коллоидных частиц по размерам приведено на рис. 3, из которого видно, что в воде второго типа присутствуют два вида частиц, содержащих Fe(OH)₃, связанных с растворенными органическими веществами. Частицы одного вида имеют размеры примерно от 110 до 270 нм и второго вида – размеры примерно от 300 до 800 нм. Таким образом, при фильтровании воды второго типа через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм задерживаются не все коллоидные частицы.

В табл. 3 приведены показатели воды второго типа [цветность и концентрация Fe (III)] до и после фильтрования на мембранных фильтрах фирмы «Millipore» с размером пор 0,45; 0,4; 0,2 мкм. Из табл. 3 видно, что при использовании мембранных фильтров с размером пор 0,45 мкм действительно не может быть установлена «истинная» цветность воды второго типа, которая достигается только после фильтрации через мембранные фильтры c размером пор 0,2 мкм. Таким образом, для подземных вод второго типа по методике, рекомендуемой ГОСТ Р 52769-2007, можно определить только «кажущуюся» цветность.

Выводы

Проведенные исследования подземных вод Западно-Сибирского региона показали неоднозначность результатов по определению цветности. Этот факт обусловлен особенностями химического состава воды. Наличие в подземных водах Fe (II) и его окисление при контакте с кислородом воздуха не позволяют проводить измерение цветности воды непосредственно после отбора пробы.

«Истинную» цветность воды, содержащей соединения железа, связанные с растворенными органическими веществами, можно измерять только после полного окисления Fe (II) и фильтрования через фильтр с размером пор 0,2 мкм. В этом случае температура и время проведения анализа после отбора пробы не влияют на точность получаемых результатов. В таких подземных водах присутствуют коллоидные частицы двух видов с максимальным распределением на 130 и 460 нм, обусловливающие цветность воды. Наличие этих частиц не позволяет определять «истинную» цветность, так как они не удаляются при фильтровании через фильтр с размером пор 0,45 мкм, рекомендованный ГОСТ. Поэтому целесообразно пользоваться только термином «кажущаяся» цветность.

Авторы благодарят сотрудников Технического университета г. Карлсруэ (Германия) и Центра коллективного пользования Томского политехнического университета за предоставленную возможность проведения серии экспериментов на их оборудовании.

SPISOK LITERATURY

1. Kirjuhin V. K., Mel'kanovickaja S. G., Shvec V. M. Opredelenie organicheskih veshhestv v podzemnyh vodah. – M.: Nedra, 1976.
2. Shvec V. M. Organicheskie veshhestva podzemnyh vod. – M.: Nedra, 1973.
3. Trufanov A. I. Formirovanie zhelezistyh podzemnyh vod. – M.: Nauka, 1982.
4. Unificirovannye metody analiza vod: Pod. red. Ju. Ju. Lur'e. – M.: Himija, 1973.
5. Fomin G. S. Voda. Kontrol' himicheskoj, bakterial'noj i radiacionnoj bezopasnosti po mezhdunarodnym standartam: Jenciklopedicheskij sprav. – M.: Protektor, 1995.
6. Zekcer I. S., Jazvin L. S. Resursy podzemnyh vod i ih M.: Nauka, 1999.ispol'zovanie / Vodnye problemy na rubezhe vekov.
7. O sostojanii vodnyh resursov Rossijskoj Federacii v 2002 godu: Gosudarstvennyj doklad. – M.: NIA-Priroda, 2003.
8. Nazarov A. D., Shvarcev S. L. Podzemnye vody i ih ispol'zovanie // Prirodnye resursy Tomskoj oblasti. – Novosibirsk: Nauka, Sib. otdelenie, 1991.
9. Serikov L. V., Shiyan L. N., Tropina E. A. Oxidation of different forms of iron compositions in the underground water: 8th Korea-Russia Intern. Symp. on Science and Technology. 26 Jun. – 3 Jul. 2004. – Tomsk, 2004. V. II.
10. Serikov L. V., Shijan L. N., Tropina E. A. i dr. Kolloidnye sistemy podzemnyh vod Zapadno-Sibirskogo regiona // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2006. T. 309. № 6.
11. Javorovskij N. A., Serikov L. V., Shijan L. N. i dr. Osobennosti himicheskogo sostava podzemnyh istochnikov Tomskoj oblasti. – Tomsk: Izd. dom «Chaj i K», 2005.
12. Serikov L. V., Shijan L. N., Tropina E. A. Okislenie razlichnyh form soedinenij zheleza v skvazhinnyh vodah / Vysokorazbavlennye sistemy: massoperenos, reakcii i processy: Mater. nem.-rus. seminara 15–17 oktjabrja 2005 g. – Tomsk, 2005.
13. Vojuckij S. S. Kurs kolloidnoj himii. – M.: Himija, 1976.